JP5530068B2 - 距離・速度計および距離・速度計測方法 - Google Patents
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L=qλ/2 ・・・(1)
式(1)において、qは整数である。この現象は、測定対象104からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器101内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
また、特許文献1に開示された距離・速度計では、例えば外乱光などのノイズをMHPとして数えたり、信号の歯抜けのために数えられないMHPがあったりして、計数回路で数えるMHPの数に誤差が生じ、測定した距離や速度に誤差が生じるという問題点があった。
また、本発明は、MHPの計数誤差を補正して距離及び速度の測定精度を向上させることができる距離・速度計および距離・速度計測方法を提供することを目的とする。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記計数手段は、前記発振期間よりも短い第1の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の数を求め、前記発振期間よりも短く、かつ前記第1の計数期間と少なくとも一部の時刻が異なる第2の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の数を求め、発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号と発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号とから前記干渉波形の数を交互に求めるものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記周期測定手段は、前記発振期間よりも短い第1の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の周期を求め、前記発振期間よりも短く、かつ前記第1の計数期間と少なくとも一部の時刻が異なる第2の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の周期を求め、発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号と発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号とから前記干渉波形の周期を交互に求めるものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記計数手段が前記干渉波形の数を求める度に算出し、前記状態判定部は、前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部の算出結果に基づいて前記測定対象が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか等速度運動以外の運動をしているかを前記算出毎に判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値の絶対値が、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記距離の候補値に前記第1、第2の半導体レーザの波長変化率を掛けた値と等しく、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値の絶対値が、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記距離の候補値に前記第1、第2の半導体レーザの波長変化率を掛けた値と等しく、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記演算手段は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とするものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例は、さらに、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合の速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定した場合の速度の候補値のうち、前記状態判定部が真値でないと判断して選択しなかった方の速度の候補値が、前記状態判定部が真値であると判断して選択した方の距離の候補値に前記第1、第2の半導体レーザの波長変化率を掛けた値と略等しくなるように、前記第1、第2のレーザドライバから前記第1、第2の半導体レーザに供給される駆動電流のうち少なくとも一方の振幅を調整する振幅調整手段を有するものである。
本発明は、波長変調を用いたセンシングにおいて出射した波と対象物で反射した波の干渉信号をもとに距離を計測する手法である。したがって、自己結合型以外の光学式の干渉計、光以外の干渉計にも適用できる。半導体レーザの自己結合を用いる場合について、より具体的に説明すると、半導体レーザから測定対象にレーザ光を照射しつつ、レーザの発振波長を変化させると、発振波長が最小発振波長から最大発振波長まで変化する間(あるいは最大発振波長から最小発振波長まで変化する間)における測定対象の変位は、MHPの数に反映される。したがって、発振波長を変化させたときのMHPの数を調べることで測定対象の状態を検出することができる。以上が、干渉計の基本的な原理である。
記憶部75は、カウンタ73−1,73−2の計数結果と計数結果補正部74−1,74−2のそれぞれの周期測定部740の測定結果を記憶する。
N’=N+Nw−Ns ・・・(2)
式(2)において、Nはカウンタ73−1の計数結果であるMHPの数、N’は補正後の計数結果である。
本来、MHPの周期は測定対象11との距離によって異なるが、測定対象11との距離が不変であれば、MHPは同じ周期で出現する。しかし、ノイズのために、MHPの波形には欠落が生じたり、信号として数えるべきでない波形が生じたりして、MHPの数に誤差が生じる。
n=N’/Sum ・・・(3)
Lα(t)=λa×λb×(MHP(t−1)+MHP(t))
/{4×(λb−λa)} ・・・(4)
Lβ(t)=λa×λb×(|MHP(t−1)−MHP(t)|)
/{4×(λb−λa)} ・・・(5)
Vα(t)=(MHP(t−1)−MHP(t))×λb/4 ・・・(6)
Vβ(t)=(MHP(t−1)+MHP(t))×λb/4 ・・・(7)
Lα(t)=λa×λb×(MHP(t−1)+MHP(t))
/{4×(λb−λa−Σλmp)} ・・・(4A)
Lβ(t)=λa×λb×(|MHP(t−1)−MHP(t)|)
/{4×(λb−λa−Σλmp)} ・・・(5A)
ここでλmpは、モードホッピング現象によって不連続となった周波数の幅の大きさを表す。ひとつの期間tの中で複数のモードホッピング現象が生じる場合、いずれのλmpもほぼ同じ大きさを示す。Σλmpは、ひとつの期間tの中で生じたモードホッピング現象による周波数の不連続幅の大きさλmpを全て加算した値である。
Vcalα(t)=Lα(t)−Lα(t−1) ・・・(8)
Vcalβ(t)=Lβ(t)−Lβ(t−1) ・・・(9)
次に、演算装置8の状態判定部83は、記憶部82に格納された式(4)〜式(9)の算出結果を用いて、測定対象11の状態を判定する(図12ステップS202)。
表示装置9は、演算装置8によって算出された測定対象11との距離及び測定対象11の速度をリアルタイムで表示する。
なお、本実施の形態では、状態判定部83が選択しなかった方の速度の候補値が、状態判定部83が真値であると判断して選択した方の距離の候補値に波長変化率(λb−λa)/λbを掛けた値と等しくなるように、三角波駆動電流の振幅を調整しているが、速度の候補値と、距離の候補値に波長変化率を掛けた値とを完全に等しくする必要はなく、略等しい状態であればよい。
さらに、本実施の形態では、半導体レーザ1−1,1−2の波長変化量の絶対値を等しくすることにより、距離及び速度の測定精度を向上させることができる。
最初に、誤ってノイズを数えてしまったために、MHPの周期が2分割された場合の計数結果の補正について説明する。半導体レーザの発振波長変化が線形である場合、MHPの周期は計数期間をMHPの数Nで除算したT0を中心にして正規分布する(図15)。
全ての周期の和は常に計数期間であり、変化はないが、MHPのk%がノイズによって周期が2分割されると、度数の積分値は(1+k[%])Nになるため、MHPの周期の平均値は(1/(1+k[%]))T0になる。
(1−(1−NORMSDIST((中央値−T0)/σ))*2)
*(100−k)/2=k[%] ・・・(10)
T0’=(1/(1+0.1))T0=0.91T0 ・・・(11)
T0’=0.995T0 ・・・(12)
なお、ここでは平均値、中央値共にT0’で表すものとする。カウンタ値(度数の積分値)は、1.1Nとなり、カウント誤差は10%となる。
また、図19に示すように、T1のとり得る確率の度数分布は平均値が0.5T0、標準偏差0.5σの正規分布の累積度数分布と平均値がT0、標準偏差σの正規分布の累積度数分布を重ねたような形状になる。ここで、T1、T2それぞれの数は、周期が2分割されたMHPの数k[%]・Nに等しい。
N=N’−k[%]・N ・・・(13)
図20に示すように、Tb以下の周期を持つMHPの数Nsが2分割されたMHPの数k[%]・Nと等しくなるようにTbを設定することができれば、Tb以下の周期を持つMHPの数Nsを数えることで、周期が2分割されたMHPの数k[%]・Nを間接的に数えることができる。
N=N’−k[%]・N=N’−Ns ・・・(14)
T1およびT2の度数形状は、0.5Taで対称の形状であるため、0.5Taをしきい値にして判断すると、周期が2分割されたMHPの度数Ns(=k[%]・N)を正確に数えることができる。
Nt=N’−Ns’=(1+k[%])N−yk[%]N
=(1+(1−y)k[%])N=N+(1−y)k[%]N ・・(15)
なお、補正後の誤差である(1−y)k[%]Nは、図22のeの部分の度数である。
標準偏差をσ=0.02T0とし、MHPの10%がノイズによって周期が2分割されたとすると(計数結果は10%の誤差)、MHPの周期の平均値T0’は0.91T0、中央値T0’は0.9949T0であるから、平均値T0’を用いる場合のyは0.91、中央値T0’を用いる場合のyは0.9949であり、補正後の計数結果N’は以下のように算出される。
N’=(1+0.1(1−0.91))N=1.009N ・・・(16)
N’=(1+0.1(1−0.995))N=1.0005N ・・・(17)
N’=(1+0.2(1−0.83))N=1.034N ・・・(18)
N’=(1+0.2(1−0.968))N=1.0064N ・・・(19)
以上のことから、MHPの周期の中央値を使用して計数結果Nを補正すれば、補正後の計数結果N’の誤差を小さくできることが分かる。
N’=N+j[%]=N+Nw ・・・(20)
N=(N’−2Nw)+(Nw−Nw’)+2Nw’=N’−Nw+Nw’
・・・(21)
N−0.5Nw’+(0.5Nw’+(Nw−Nw’))
=(N−Nw+Nw’)+(0.5Nw’+(Nw−Nw’))
=N’ ・・・(22)
N=(N’−2Nw−Ns)+(Nw−Nw’)+2Nw’+2Ns
=N’−Nw+Nw’+Ns ・・・(23)
N−{0.5Nw’+Ns}+{0.5Nw’+(Nw−Nw’)}
={N−Nw+Nw’+Ns}−{0.5Nw’+Ns}
+{0.5Nw’+(Nw−Nw’)}
=N’ ・・・(24)
N’=N+Nw1+Nw2+Nw3+・・・・−Ns ・・・(25)
Nw1は周期の中央値の1.5倍以上である階級の度数の総和、Nw2は周期の中央値の2.5倍以上である階級の度数の総和、Nw3は周期の中央値のおよそ3.5倍以上である階級の度数の総和である。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、固定長の第1の計数期間Pnと第2の計数期間PmにおいてMHPの数を求めていたが、第1の計数期間Pnと第2の計数期間Pmを可変長にしてもよい。本実施の形態においても、距離・速度計の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。
第1、第2の実施の形態では、自己結合型の干渉計に本発明を適用する場合について説明したが、自己結合型以外の干渉計に本発明を適用することもできる。図30は本発明の第3の実施の形態となる距離・速度計の構成を示すブロック図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。図30において、12−1,12−2は入射光と反射光を分離するビームスプリッタである。
フォトダイオード2−1,2−2以降の構成は第1、第2の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。こうして、自己結合型以外の干渉計においても、第1、第2の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、半導体レーザ1−1,1−2を三角波状に発振させる場合は、測定対象11の状態に関係なく、振幅調整装置10による振幅調整が可能であるが、半導体レーザ1−1,1−2を鋸波状に発振させる場合は、測定対象11が静止状態の場合のみ振幅調整が可能である。
Claims (27)
- 測定対象に第1のレーザ光を放射する第1の半導体レーザと、
前記測定対象に前記第1のレーザ光と平行に第2のレーザ光を放射する第2の半導体レーザと、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第1の半導体レーザを動作させる第1のレーザドライバと、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第2の半導体レーザを動作させる第2のレーザドライバと、
前記第1のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する第1の受光器と、
前記第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する第2の受光器と、
前記第1、第2の受光器の出力信号に含まれる、前記第1、第2のレーザ光とその戻り光とによって生じる干渉波形の数を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について数える計数手段と、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について前記干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の中央値を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する中央値算出手段と、
前記度数分布から、前記中央値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、前記中央値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいて前記計数手段の計数結果を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について補正する補正値算出手段と、
前記周期測定手段の測定結果から前記干渉波形の周期の総和を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する周期和算出手段と、
前記補正値算出手段で補正された計数結果と前記周期和算出手段で算出された周期の総和とから、単位時間当たりの前記干渉波形の数を前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する個数算出手段と、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長及び最大発振波長と前記個数算出手段で算出された干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 測定対象に第1のレーザ光を放射する第1の半導体レーザと、
前記測定対象に前記第1のレーザ光と平行に第2のレーザ光を放射する第2の半導体レーザと、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第1の半導体レーザを動作させる第1のレーザドライバと、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第2の半導体レーザを動作させる第2のレーザドライバと、
前記第1の半導体レーザの光出力を電気信号に変換する第1の受光器と、
前記第2の半導体レーザの光出力を電気信号に変換する第2の受光器と、
前記第1、第2の受光器の出力信号に含まれる、前記第1、第2のレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について数える計数手段と、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について前記干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の中央値を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する中央値算出手段と、
前記度数分布から、前記中央値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、前記中央値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいて前記計数手段の計数結果を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について補正する補正値算出手段と、
前記周期測定手段の測定結果から前記干渉波形の周期の総和を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する周期和算出手段と、
前記補正値算出手段で補正された計数結果と前記周期和算出手段で算出された周期の総和とから、単位時間当たりの前記干渉波形の数を前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する個数算出手段と、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長及び最大発振波長と前記個数算出手段で算出された干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 測定対象に第1のレーザ光を放射する第1の半導体レーザと、
前記測定対象に前記第1のレーザ光と平行に第2のレーザ光を放射する第2の半導体レーザと、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第1の半導体レーザを動作させる第1のレーザドライバと、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第2の半導体レーザを動作させる第2のレーザドライバと、
前記第1のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する第1の受光器と、
前記第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する第2の受光器と、
前記第1、第2の受光器の出力信号に含まれる、前記第1、第2のレーザ光とその戻り光とによって生じる一定個数の干渉波形の周期を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について前記干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記干渉波形の周期の度数分布を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の中央値を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する中央値算出手段と、
前記度数分布から、前記中央値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、前記中央値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいて前記一定個数を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について補正する補正値算出手段と、
前記周期測定手段の測定結果から前記干渉波形の周期の総和を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する周期和算出手段と、
前記補正値算出手段で補正された干渉波形の数と前記周期和算出手段で算出された周期の総和とから、単位時間当たりの前記干渉波形の数を前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する個数算出手段と、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長及び最大発振波長と前記個数算出手段で算出された干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 測定対象に第1のレーザ光を放射する第1の半導体レーザと、
前記測定対象に前記第1のレーザ光と平行に第2のレーザ光を放射する第2の半導体レーザと、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第1の半導体レーザを動作させる第1のレーザドライバと、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第2の半導体レーザを動作させる第2のレーザドライバと、
前記第1の半導体レーザの光出力を電気信号に変換する第1の受光器と、
前記第2の半導体レーザの光出力を電気信号に変換する第2の受光器と、
前記第1、第2の受光器の出力信号に含まれる、前記第1、第2のレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる一定個数の干渉波形の周期を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について前記干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記干渉波形の周期の度数分布を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の中央値を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する中央値算出手段と、
前記度数分布から、前記中央値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、前記中央値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいて前記一定個数を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について補正する補正値算出手段と、
前記周期測定手段の測定結果から前記干渉波形の周期の総和を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する周期和算出手段と、
前記補正値算出手段で補正された干渉波形の数と前記周期和算出手段で算出された周期の総和とから、単位時間当たりの前記干渉波形の数を前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する個数算出手段と、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長及び最大発振波長と前記個数算出手段で算出された干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の距離・速度計において、
前記第1の所定数は0.5であり、前記第2の所定数は1.5であることを特徴とする距離・速度計。 - 請求項1又は2に記載の距離・速度計において、
前記計数手段は、前記発振期間よりも短い第1の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の数を求め、前記発振期間よりも短く、かつ前記第1の計数期間と少なくとも一部の時刻が異なる第2の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の数を求め、発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号と発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号とから前記干渉波形の数を交互に求めるものであることを特徴とする距離・速度計。 - 請求項3又は4に記載の距離・速度計において、
前記周期測定手段は、前記発振期間よりも短い第1の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の周期を求め、前記発振期間よりも短く、かつ前記第1の計数期間と少なくとも一部の時刻が異なる第2の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の周期を求め、発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号と発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号とから前記干渉波形の周期を交互に求めるものであることを特徴とする距離・速度計。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の距離・速度計において、
前記演算手段は、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長と最大発振波長と前記個数算出手段で算出された干渉波形の数に基づいて前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値とを算出する距離・速度算出部と、
この距離・速度算出部で算出された距離の候補値と前回に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部と、
前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部の算出結果に基づいて前記測定対象の状態を判定する状態判定部と、
この状態判定部の判定結果に基づいて前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を確定する距離・速度確定部とからなることを特徴とする距離・速度計。 - 請求項8に記載の距離・速度計において、
前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記計数手段が前記干渉波形の数を求める度に算出し、
前記状態判定部は、前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部の算出結果に基づいて前記測定対象が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか等速度運動以外の運動をしているかを前記算出毎に判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項9に記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項9に記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項9に記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項9に記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値の絶対値が、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記距離の候補値に前記第1、第2の半導体レーザの波長変化率を掛けた値と等しく、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項9に記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項9に記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値の絶対値が、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記距離の候補値に前記第1、第2の半導体レーザの波長変化率を掛けた値と等しく、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の距離・速度計において、
前記演算手段は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とすることを特徴とする距離・速度計。 - 請求項9に記載の距離・速度計において、
さらに、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合の速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定した場合の速度の候補値のうち、前記状態判定部が真値でないと判断して選択しなかった方の速度の候補値が、前記状態判定部が真値であると判断して選択した方の距離の候補値に前記第1、第2の半導体レーザの波長変化率を掛けた値と略等しくなるように、前記第1、第2のレーザドライバから前記第1、第2の半導体レーザに供給される駆動電流のうち少なくとも一方の振幅を調整する振幅調整手段を有することを特徴とする距離・速度計。 - 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第1の半導体レーザを動作させる第1の発振手順と、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第2の半導体レーザを動作させる第2の発振手順と、
前記第1の半導体レーザから放射された第1のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する第1の受光器の出力信号に含まれる、前記第1のレーザ光とその戻り光とによって生じる干渉波形の数を数えると共に、前記第2の半導体レーザから放射された第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する第2の受光器の出力信号に含まれる、前記第2のレーザ光とその戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について前記干渉波形が入力される度に測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の中央値を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する中央値算出手順と、
前記度数分布から、前記中央値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、前記中央値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいて前記計数手順の計数結果を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について補正する補正値算出手順と、
前記周期測定手順の測定結果から前記干渉波形の周期の総和を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する周期和算出手順と、
前記補正値算出手順で補正された計数結果と前記周期和算出手順で算出された周期の総和とから、単位時間当たりの前記干渉波形の数を前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する個数算出手順と、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長及び最大発振波長と前記個数算出手順で算出された干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第1の半導体レーザを動作させる第1の発振手順と、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第2の半導体レーザを動作させる第2の発振手順と、
前記第1の半導体レーザの光出力を電気信号に変換する第1の受光器の出力信号に含まれる、前記第1の半導体レーザから放射された第1のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数えると共に、前記第2の半導体レーザの光出力を電気信号に変換する第2の受光器の出力信号に含まれる、前記第2の半導体レーザから放射された第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について前記干渉波形が入力される度に測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の中央値を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する中央値算出手順と、
前記度数分布から、前記中央値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、前記中央値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいて前記計数手順の計数結果を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について補正する補正値算出手順と、
前記周期測定手順の測定結果から前記干渉波形の周期の総和を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する周期和算出手順と、
前記補正値算出手順で補正された計数結果と前記周期和算出手順で算出された周期の総和とから、単位時間当たりの前記干渉波形の数を前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する個数算出手順と、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長及び最大発振波長と前記個数算出手順で算出された干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第1の半導体レーザを動作させる第1の発振手順と、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第2の半導体レーザを動作させる第2の発振手順と、
前記第1の半導体レーザから放射された第1のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する第1の受光器の出力信号に含まれる、前記第1のレーザ光とその戻り光とによって生じる一定個数の干渉波形の周期を測定すると共に、前記第2の半導体レーザから放射された第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する第2の受光器の出力信号に含まれる、前記第2のレーザ光とその戻り光とによって生じる前記一定個数の干渉波形の周期を測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記干渉波形の周期の度数分布を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の中央値を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する中央値算出手順と、
前記度数分布から、前記中央値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、前記中央値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいて前記一定個数を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について補正する補正値算出手順と、
前記周期測定手順の測定結果から前記干渉波形の周期の総和を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する周期和算出手順と、
前記補正値算出手順で補正された干渉波形の数と前記周期和算出手順で算出された周期の総和とから、単位時間当たりの前記干渉波形の数を前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する個数算出手順と、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長及び最大発振波長と前記個数算出手順で算出された干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第1の半導体レーザを動作させる第1の発振手順と、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第2の半導体レーザを動作させる第2の発振手順と、
前記第1の半導体レーザの光出力を電気信号に変換する第1の受光器の出力信号に含まれる、前記第1の半導体レーザから放射された第1のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる一定個数の干渉波形の周期を測定すると共に、前記第2の半導体レーザの光出力を電気信号に変換する第2の受光器の出力信号に含まれる、前記第2の半導体レーザから放射された第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる前記一定個数の干渉波形の周期を測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記干渉波形の周期の度数分布を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の中央値を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する中央値算出手順と、
前記度数分布から、前記中央値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、前記中央値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいて前記一定個数を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について補正する補正値算出手順と、
前記周期測定手順の測定結果から前記干渉波形の周期の総和を、前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する周期和算出手順と、
前記補正値算出手順で補正された干渉波形の数と前記周期和算出手順で算出された周期の総和とから、単位時間当たりの前記干渉波形の数を前記第1、第2の受光器の出力信号の各々について算出する個数算出手順と、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長及び最大発振波長と前記個数算出手順で算出された干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 請求項18乃至21のいずれか1項に記載の距離・速度計測方法において、
前記第1の所定数は0.5であり、前記第2の所定数は1.5であることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 請求項18又は19に記載の距離・速度計測方法において、
前記計数手順は、前記発振期間よりも短い第1の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の数を求め、前記発振期間よりも短く、かつ前記第1の計数期間と少なくとも一部の時刻が異なる第2の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の数を求め、発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号と発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号とから前記干渉波形の数を交互に求めるものであることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 請求項20又は21に記載の距離・速度計測方法において、
前記周期測定手順は、前記発振期間よりも短い第1の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の周期を求め、前記発振期間よりも短く、かつ前記第1の計数期間と少なくとも一部の時刻が異なる第2の計数期間において、前記第1、第2の半導体レーザのうち発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号に含まれる干渉波形の周期を求め、発振波長が増加している半導体レーザに対応する受光器の出力信号と発振波長が減少している半導体レーザに対応する受光器の出力信号とから前記干渉波形の周期を交互に求めるものであることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 請求項18乃至24のいずれか1項に記載の距離・速度計測方法において、
前記演算手順は、
前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長と最大発振波長と前記個数算出手順で算出された干渉波形の数に基づいて前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値とを算出する距離・速度算出手順と、
この距離・速度算出手順で算出された距離の候補値と前回に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出手順と、
前記距離・速度算出手順と前記履歴変位算出手順の算出結果に基づいて前記測定対象の状態を判定する状態判定手順と、
この状態判定手順の判定結果に基づいて前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を確定する距離・速度確定手順とを含むことを特徴とする距離・速度計測方法。 - 請求項25に記載の距離・速度計測方法において、
前記距離・速度算出手順と前記履歴変位算出手順は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記計数手順が前記干渉波形の数を求める度に算出し、
前記状態判定手順は、前記距離・速度算出手順と前記履歴変位算出手順の算出結果に基づいて前記測定対象が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか等速度運動以外の運動をしているかを前記算出毎に判定することを特徴とする距離・速度計測方法。 - 請求項26に記載の距離・速度計測方法において、
さらに、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合の速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定した場合の速度の候補値のうち、前記状態判定手順で真値でないと判断して選択しなかった方の速度の候補値が、前記状態判定手順で真値であると判断して選択した方の距離の候補値に前記第1、第2の半導体レーザの波長変化率を掛けた値と略等しくなるように、前記第1、第2の半導体レーザに供給される駆動電流のうち少なくとも一方の振幅を調整する振幅調整手順を備えることを特徴とする距離・速度計測方法。
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